Construire un émetteur radio à ondes courtes
L'émetteur radio à ondes courtes permet de transmettre la voix et les signaux sur des milliers de kilomètres en utilisant la réflexion des ondes sur l'ionosphère. C'est le moyen de communication le plus puissant qu'un réseau reconstruit puisse déployer sans infrastructure terrestre. Un seul émetteur de 100 watts peut être entendu sur un continent entier. Cette page détaille la construction d'un émetteur à modulation d'amplitude en ondes courtes, fréquence 3 à 30 mégahertz.
Principe de fonctionnement
Un émetteur radio comporte quatre étages :
- L’oscillateur : génère un signal électrique alternatif à une fréquence précise (la porteuse).
- L’amplificateur de puissance : amplifie le signal de l’oscillateur à une puissance suffisante pour l’antenne.
- Le modulateur : superpose le signal audio (voix) à la porteuse.
- L’antenne : rayonne le signal modulé dans l’espace sous forme d’ondes électromagnétiques.
L’oscillateur
L’oscillateur est le coeur de l’émetteur. Il doit produire une fréquence stable et précise.
Oscillateur à circuit LC
Le circuit le plus simple est l’oscillateur à bobine et condensateur (circuit LC). La fréquence de résonance est donnée par la formule :
Fréquence = 1 / (2 x pi x racine(L x C))
Où L est l’inductance de la bobine en henrys et C est la capacité du condensateur en farads.
Pour une fréquence de 7 mégahertz (bande amateur 40 mètres) :
- L = 5 microhenrys (bobine de 10 tours sur un diamètre de 5 centimètres)
- C = environ 100 picofarads
Fabriquer la bobine
- Forme : Utilisez un tube en céramique ou en verre de 5 centimètres de diamètre et 10 centimètres de long. À défaut, un tube en PVC ou en carton recouvert de vernis isolant fonctionne.
- Fil : Du fil de cuivre émaillé de 1 millimètre de diamètre (voir Fabriquer des fils et cables).
- Enroulement : Enroulez 10 à 15 tours de fil sur la forme, espacés de 2 millimètres entre chaque tour. Les spires doivent être régulières et bien serrées contre la forme.
- Connexions : Décapez les extrémités du fil (grattez l’émail sur 1 centimètre) pour les connexions.
- Prise intermédiaire : À environ un tiers du nombre de tours depuis la masse, décapez une petite section du fil pour faire une prise. Cette prise est essentielle pour le circuit de réaction.
Fabriquer le condensateur
- Plaques fixes : Découpez 5 plaques d’aluminium de 4 centimètres de diamètre (ou de fer étamé si l’aluminium n’est pas disponible). Percez un trou de 5 millimètres au centre de chaque plaque.
- Plaques mobiles : Découpez 4 plaques d’aluminium de 3,5 centimètres de diamètre. Percez également un trou central.
- Assemblage : Empilez les plaques en alternant fixes et mobiles, séparées par des entretoises en mica ou en papier paraffiné de 1 millimètre d’épaisseur. Les plaques fixes sont toutes connectées entre elles par une barre horizontale. Les plaques mobiles sont montées sur un axe rotatif.
- Réglage : En tournant l’axe, les plaques mobiles s’enfoncent plus ou moins entre les plaques fixes, modifiant la capacité. Capacité approximative : 20 à 200 picofarads selon la position.
Oscillateur Colpitts à tube
L’oscillateur le plus stable avec des tubes à vide est l’oscillateur Colpitts, qui utilise une division capacitive du circuit LC pour la réaction.
- Tube : Un tube triode (voir Fabriquer un tube à vide). Le tube doit pouvoir osciller à la fréquence voulue. Un tube récepteur de type triode universelle convient.
- Circuit : Connectez la bobine LC entre la plaque (anode) et la grille du tube. Deux condensateurs en série (C1 et C2) divisent la tension de réaction. Le point milieu des deux condensateurs est relié à la cathode.
- Résistance de grille : 100 kilo-ohms entre la grille et la masse (fabrication voir ci-dessous).
- Alimentation : Tension de plaque 150 à 250 volts continu (voir Fabriquer une batterie et Construire une dynamo). Tension de chauffage du filament : selon le tube (généralement 1,5 à 6,3 volts).
Oscillateur à transistor
Si vous disposez de transistors (voir Construire un transistor), l’oscillateur est plus simple et plus compact. Un oscillateur Colpitts à transistor utilise le même circuit LC avec un transistor bipolaire en amplificateur.
- Transistor :Tout transistor NPN avec une fréquence de coupure supérieure à 30 mégahertz convient.
- Circuit : Identique au circuit à tube, avec les adaptations de polarisation.
Stabilisation de la fréquence
La stabilité de la fréquence est critique. Un émetteur dont la fréquence dérive est inaudible.
- Cristal de quartz : Si vous avez un cristal de quartz (fréquence de résonance précise), utilisez-le comme élément de contrôle de fréquence. L’oscillateur à quartz est le plus stable possible.
- Construction mécanique stable : Montez la bobine et le condensateur sur une base solide (épaisse plaque de bois ou de métal) qui ne se déforme pas avec la température.
- Protection thermique : Placez l’oscillateur dans un boîtier fermé pour le protéger des variations de température et des courants d’air.
L’amplificateur de puissance
L’oscillateur produit quelques milliwatts. L’amplificateur de puissance augmente ce signal à 10, 50 ou 100 watts pour alimenter l’antenne.
Étage de puissance à tube
- Tube : Un tube de puissance, type triode ou pentode de transmission. Ces tubes ont des plaques capables de dissiper 20 à 100 watts. Si vous fabriquez vos propres tubes (voir Fabriquer un tube à vide), visez une plaque en cuivre de 3 centimètres de diamètre et une cathode en filament de thoriated tungsten.
- Circuit : Le signal de l’oscillateur est appliqué à la grille du tube de puissance à travers un condensateur de couplage. La plaque du tube est connectée à une bobine de charge accordée sur la fréquence de l’émetteur.
- Alimentation : Tension de plaque 300 à 600 volts continu, selon le tube. Courant de plaque 50 à 200 milliampères. L’alimentation doit fournir au moins deux fois la puissance de sortie souhaitée (un amplificateur de classe C a un rendement d’environ 50 à 70 %).
- Refroidissement : Le tube de puissance chauffe considérablement. Prévoyez un radiateur en cuivre ou en aluminium autour de la plaque, et une ventilation forcée si nécessaire.
Circuit en push-pull
Pour doubler la puissance, utilisez deux tubes en configuration push-pull :
- Les grilles des deux tubes reçoivent des signaux en opposition de phase (un transformateur de liais on ou un circuit à condensateur divisé fournit les deux signaux).
- Les plaques sont connectées aux deux extrémités d’une bobine centrale acccordée.
- Le rendement est meilleur et les harmoniques sont réduites.
Le modulateur
La modulation d’amplitude superpose le signal audio à la porteuse. La voix fait varier l’amplitude de l’onde porteuse.
Modulation de plaque
C’est la méthode la plus efficace pour un émetteur de puissance modérée.
- Microphone : Un microphone à charbon est le plus facile à fabriquer. Remplissez un petit cylindre métallique de grains de charbon de bois de 0,5 millimètre, placés entre deux plaques métalliques. Quand le son frappe la membrane (une plaque métallique fine), elle comprime les grains, modifiant la résistance du charbon. Le courant qui traverse le microphone varie au rythme de la voix.
- Transformateur de modulation : Un transformateur audio qui applique le signal du microphone à l’alimentation de plaque de l’étage de puissance.fabriquez un transformateur en enroulant deux bobines sur un noyau de fer doux en forme de E et I :
- Primaire : 500 tours de fil émaillé de 0,5 millimètre.
- Secondaire : 2000 tours de fil émaillé de 0,2 millimètre.
- Noyau : tôles de fer doux empilees (voir Construire une dynamo pour la fabrication des tôles).
- Circuit : Le signal audio du microphone est amplifié par un tube amplificateur audio, puis appliqué au primaire du transformateur de modulation. Le secondaire du transformateur est inséré en série avec l’alimentation de plaque de l’étage de puissance. Quand la voix module le courant de plaque, l’amplitude de l’onde porteuse varie proportionnellement.
Puissance de modulation
Pour une modulation à 100 % (amplitude variant de zéro au double de la porteuse), la puissance audio du modulateur doit être égale à la moitié de la puissance de la porteuse. Pour un émetteur de 100 watts, il faut 50 watts d’audio.
L’antenne
L’antenne est l’élément qui rayonne l’énergie électromagnétique dans l’espace.
Antenne dipôle demi-onde
L’antenne la plus simple et la plus efficace pour les ondes courtes est le dipôle demi-onde.
- Longueur : Chaque brin du dipôle mesure un quart de la longueur d’onde. Pour 7 mégahertz (longueur d’onde 42,8 mètres), chaque brin mesure environ 10,7 mètres. Formule : longueur d’un brin (en mètres) = 71,25 / fréquence (en mégahertz).
- Matériau : Fil de cuivre ou d’acier galvanisé de 2 à 3 millimètres de diamètre. Le fil doit être solide car l’antenne est soumise au vent.
- Alimentation : Une ligne bifilaire (deux fils parallèles espacés de 5 centimètres, maintenus par des entretoises en céramique) relie le centre du dipôle à l’émetteur. La ligne doit faire environ un multiple impair de quart d’onde pour assurer une bonne adaptation d’impédance.
- Installation : Le dipôle est tendu horizontalement entre deux mâts ou deux arbres, à au moins 10 mètres de hauteur. Plus haut est mieux, car la hauteur améliore l’angle de rayonnement vers l’ionosphère.
- Orientation : Le dipôle rayonne principalement perpendiculairement à son axe. Orientez-le donc perpendiculairement à la direction dans laquelle vous voulez transmettre.
Antenne verticale quart d’onde
Alternative plus compacte, l’antenne verticale rayonne dans toutes les directions horizontales, ce qui est idéal pour les communications omnidirectionnelles.
- Brin rayonnant : Un fil ou un tube métallique vertical d’environ 10,7 mètres pour 7 mégahertz.
- Contrepoids : Un réseau de fils horizontaux disposés en étoile au pied de l’antenne, d’environ 10 mètres de long chacun. Au moins 4 contrepoids, idéalement 8 à 16.
- Alimentation : La ligne bifilaire est connectée entre le brin vertical et les contrepoids.
L’alimentation
L’émetteur nécessite plusieurs tensions :
- Haute tension (300 à 600 volts continu) pour les plaques des tubes. Fournie par une dynamo (voir Construire une dynamo) ou une batterie de piles (voir Fabriquer une batterie). Un redresseur à tube (diode à vide) ou à oxyde de cuivre convertit le courant alternatif de la dynamo en courant continu.
- Tension de chauffage (1,5 à 6,3 volts) pour les filaments des tubes. Fournie par une batterie basse tension.
- Tension de polarisation (négative) pour la grille des tubes. Fournie par une pile ou une résistance de polarisation automatique.
Filtre d’alimentation
Le courant continu de la dynamo n’est jamais parfaitement lisse. Il contient une ondulation résiduelle. Un filtre est indispensable pour éliminer cette ondulation qui produirait un bourdonnement dans l’émission.
- Self de filtrage : Une bobine de 10 à 20 henrys, enroulée sur un noyau de fer doux. Fil de 0,5 millimètre, 2000 tours.
- Condensateurs de filtrage : Deux condensateurs au papier ou à l’électrolyte de 8 à 20 microfarads chacun, un avant et un après la self. Fabrication d’un condensateur au papier : empilez des feuilles d’aluminium et de papier paraffiné, en alternance, de 10 x 10 centimètres. Attachez les feuilles impaires entre elles et les feuilles paires entre elles pour former les deux plaques. Capacité approximative : 0,01 à 0,1 microfarad par couche selon l’épaisseur du papier.
Mise en service
Vérifications avant mise sous tension
- Vérifiez toutes les connexions avec un ohmmètre.
- Vérifiez que les tensions d’alimentation sont correctes avant de les brancher.
- Vérifiez que l’antenne est connectée et dégagée de tout obstacle.
- Ne mettez jamais l’émetteur sous tension sans antenne connectée. L’énergie sans charge peut détruire les tubes.
Acccord
- Allumez les filaments des tubes et attendez 30 secondes pour le chauffage.
- Appliquez la tension de plaque progressivement, en surveillant le courant de plaque.
- Accordez le circuit de plaque pour un minimum de courant de plaque à vide (sans modulation).
- Accordez l’antenne pour un maximum de courant d’antenne.
- Parlez dans le microphone et vérifiez que le courant de plaque varie au rythme de la voix.
Réglage fin
- Écoutez l’émission sur un récepteur (voir Construire une radio).
- Ajustez la fréquence pour être dans une bande autorisée ou libre.
- Ajustez le niveau de modulation pour 100 % en observant la modulation du courant de plaque.
Bandes de fréquence et propagation
- 3,5 mégahertz (80 mètres) : Portée régionale le jour, continentale la nuit.
- 7 mégahertz (40 mètres) : Portée continentale le jour, intercontinentale la nuit.
- 14 mégahertz (20 mètres) : Portée intercontinentale pendant les heures de jour.
- 21 mégahertz (15 mètres) : Portée intercontinentale en milieu de journée.
- 28 mégahertz (10 mètres) : Portée variable, principalement locale en période de faible activité solaire, intercontinentale en période de forte activité solaire.
Les ondes courtes se réfléchissent sur l’ionosphère (couche ionisée de la haute atmosphère) et reviennent au sol à des milliers de kilomètres de l’émetteur. La qualité de la réflexion dépend de l’heure (mieux la nuit en basse fréquence, mieux le jour en haute fréquence) et de l’activité solaire.